(57)【要約】【課題】炭素繊維の各部分の繊維径を変化させて、種々のネットワーク構造を有する炭素繊維を製造することが可能な炭素繊維の新規製造方法を提供する。【解決手段】芳香環を有する化合物を電解酸化重合してフィブリル状ポリマーを生成させる工程Ａと、該フィブリル状ポリマーを焼成、好ましくは非酸化性雰囲気中で焼成して炭素繊維を生成させる工程Ｂとを含む炭素繊維の製造方法において、前記電解酸化重合工程Ａを電流又は電圧を矩形波で印加して行う。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
芳香環を有する化合物を電解酸化重合してフィブリル状ポリマーを生成させる工程Ａと、該フィブリル状ポリマーを焼成して炭素繊維を生成させる工程Ｂとを含む炭素繊維の製造方法において、
前記電解酸化重合工程Ａを電流又は電圧を矩形波で印加して行うことを特徴とする炭素繊維の製造方法。
【請求項２】
前記焼成工程Ｂを非酸化性雰囲気中で行うことを特徴とする請求項１に記載の炭素繊維の製造方法。
【請求項３】
前記芳香環を有する化合物がベンゼン環又は芳香族複素環を有する化合物であることを特徴とする請求項１に記載の炭素繊維の製造方法。
【請求項４】
前記芳香環を有する化合物が、アニリン、ピロール、チオフェン及びそれらの誘導体からなる群から選択された少なくとも一種の化合物であることを特徴とする請求項３に記載の炭素繊維の製造方法。
【請求項５】
前記芳香環を有する化合物の電解酸化重合を導電性基板上で行い、該導電性基板上に前記フィブリル状ポリマーを生成させることを特徴とする請求項１に記載の炭素繊維の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、炭素繊維の製造方法、特に種々のネットワーク構造を有する炭素繊維を製造することが可能な炭素繊維の新規製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、炭素繊維としては、液相炭素化によるピッチ系炭素繊維、固相炭素化によるポリアクリロニトリル系及びレーヨン系炭素繊維、気相炭素化による気相成長炭素繊維、並びにレーザー法やアーク放電法によるカーボンナノチューブ類等が知られている。これらのうち、ピッチ系炭素繊維、ポリアクリロニトリル系炭素繊維及びレーヨン系炭素繊維の製造工程においては、繊維状前駆体を得るために紡糸工程が必要であり、製造工程が複雑となると共に、1μmより細い繊維を得ることが困難である。また、気相成長炭素繊維の製造においては、製造設備が高価で且つ収率が高くないなど量産方法が必ずしも確立されているとはいえないという問題がある。更に、カーボンナノチューブ類の製造についても製造設備が高価である上、効率的な量産技術は検討段階にあり、0.1μmを超える繊維径のものを得ることが難しいという問題がある。
【０００３】
一方、特開平５−１７８６０３号公報（特許文献１）には、不融化工程を必要とせず、導電率等の電気特性を制御することが可能で、残炭率が高く且つ導電性に優れた炭素質粉末を得る方法が記載されているが、該方法ではポリアニリン粉末を原料とするため、紡糸工程を経ずに炭素繊維を得ることができなかった。
【０００４】
これに対して、国際公開第２００４／０６３４３８号パンフレット（特許文献２）には、紡糸工程及び不融化工程を必要とせず、残炭率が高く且つ導電性に優れ、特に30〜数百nmの繊維径の炭素繊維を効率良く得ることができ、更に得られる炭素繊維の導電率等の電気特性を制御することが可能な炭素繊維の製造方法が開示されている。該方法によれば、芳香環を有する化合物を酸化重合してフィブリル状ポリマーを得、該フィブリル状ポリマーを非酸化性雰囲気中で焼成することで３次元連続状炭素繊維を得ることができる。
【０００５】
【特許文献１】特開平５−１７８６０３号公報
【特許文献２】国際公開第２００４／０６３４３８号パンフレット
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記国際公開第２００４／０６３４３８号パンフレットに記載の方法によれば、均一な性状を有し導電性に優れた３次元連続状炭素繊維を得ることができるが、炭素繊維の各部分の繊維径を変化させることが難しかった。
【０００７】
そこで、本発明の目的は、上記従来技術の問題を解決し、炭素繊維の各部分の繊維径を変化させて、種々のネットワーク構造を有する炭素繊維を製造することが可能な炭素繊維の新規製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明者らは、上記目的を達成するために鋭意検討した結果、電解酸化重合工程と焼成工程とからなる炭素繊維の製造方法において、電解酸化重合工程を電流又は電圧を矩形波で印加して行い、印加時間と休止時間の割合を変更することで、種々のネットワーク構造を有するフィブリル状ポリマーが得られ、更に、該フィブリル状ポリマーを焼成することで、得られる三次元炭素構造体の特性を変化させられることを見出し、本発明を完成させるに至った。
【０００９】
即ち、本発明の炭素繊維の製造方法は、芳香環を有する化合物を電解酸化重合してフィブリル状ポリマーを生成させる工程Ａと、該フィブリル状ポリマーを焼成して炭素繊維を生成させる工程Ｂとを含み、
前記電解酸化重合工程Ａを電流又は電圧を矩形波で印加して行うことを特徴とする。
【００１０】
本発明の炭素繊維の製造方法においては、前記焼成工程Ｂを非酸化性雰囲気中で行うことが好ましい。
【００１１】
本発明の炭素繊維の製造方法の好適例においては、前記芳香環を有する化合物がベンゼン環又は芳香族複素環を有する化合物である。ここで、前記芳香環を有する化合物が、アニリン、ピロール、チオフェン及びそれらの誘導体からなる群から選択された少なくとも一種の化合物であることが更に好ましい。
【００１２】
本発明の炭素繊維の製造方法においては、前記芳香環を有する化合物の電解酸化重合を導電性基板上で行い、該導電性基板上に前記フィブリル状ポリマーを生成させることが好ましい。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、電解酸化重合工程Ａと焼成工程Ｂとを含む炭素繊維の製造方法において、電解酸化重合工程Ａを電流又は電圧を矩形波で印加して行い、印加時間と休止時間の割合を変更することで、作用極上に析出するフィブリル状ポリマーの各部分の直径を変化させ、該フィブリル状ポリマーの構造に厚さ方向で変化をつけることが可能となる。また、得られたフィブリル状ポリマーを焼成することで、種々のネットワーク構造を有する３次元連続状炭素繊維を製造することができる。更に、炭素繊維のネットワーク構造をコントロールすることで、ガス透過性や表面積をコントロールして、使用目的に最適な炭素繊維を製造することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下に、本発明を詳細に説明する。本発明の炭素繊維の製造方法は、芳香環を有する化合物を電解酸化重合してフィブリル状ポリマーを生成させる工程Ａと、該フィブリル状ポリマーを焼成して炭素繊維を生成させる工程Ｂとを含み、上記電解酸化重合工程Ａを電流又は電圧を矩形波で印加して行うことを特徴とする。電解酸化重合工程Ａにおいて、電流又は電圧を矩形波でパルス状に印加し、印加時間と休止時間の割合を変更することで、生成するフィブリル状ポリマーの直径が異なるため、焼成工程Ｂの後に得られる炭素繊維は、各部分の繊維径が異なる。また、本発明の方法に従い、炭素繊維の繊維径を制御することで、炭素繊維の空隙率、ガス透過性及び表面積をコントロールすることが可能となる。
【００１５】
パルス状の矩形波において、電流又は電圧の印加時間（Ｘ）は0.01〜3秒の範囲が好ましい。印加時間（Ｘ）が0.01秒未満では、装置が追従できず、意図する重合反応が進行しない可能性があり、一方、3秒を超えると、パルス波を用いる効果が得られなくなる。また、パルス状の矩形波において、電流又は電圧の休止時間（Ｙ）は0.01〜10秒の範囲が好ましい。休止時間（Ｙ）が0.01秒未満では、パルス波を用いる効果が得られなくなり、一方、10秒を超えても問題はないが、それ以上の効果は望めなくなる。更に、印加時間（Ｘ）の休止時間（Ｙ）に対する割合（Ｘ／Ｙ）は、0.001〜300の範囲が好ましい。印加時間（Ｘ）の休止時間（Ｙ）に対する割合（Ｘ／Ｙ）が0.001未満では、装置が追従できず、意図する重合反応が進行しない可能性があり、一方、300を超えると、定電流や定電圧で電解酸化重合工程Ａを行った場合との差が小さく、生成するフィブリル状ポリマーの直径を十分に変化させられないことがある。
【００１６】
電流を矩形波でパルス状に印加する場合、原料の芳香環を有する化合物の種類によっても異なるが、電流密度が0.1〜1000mA/cm2の範囲になるように通電することが好ましく、0.2〜100mA/cm2の範囲になるように通電することが更に好ましい。また、電圧を矩形波でパルス状に印加する場合、原料の芳香環を有する化合物の種類によっても異なるが、印加電圧は0.65〜1.0Ｖの範囲が好ましい。
【００１７】
本発明の製造方法では、上記電解酸化重合工程Ａを電流又は電圧を矩形波でパルス状に印加して行うが、該工程Ａで生成するフィブリル状ポリマーの直径は、30nm〜数百nmの範囲が好ましく、40nm〜500nmの範囲が更に好ましく、生成するフィブリル状ポリマーの長さは、0.5μm〜100mmの範囲が好ましく、1μm〜10mmの範囲が更に好ましい。なお、生成するフィブリル状ポリマーの直径は、電流又は電圧の印加時間と休止時間の割合を変更することでコントロールできる。
【００１８】
本発明の製造方法で出発物質として用いる芳香環を有する化合物としては、ベンゼン環を有する化合物、芳香族複素環を有する化合物を挙げることができる。ここで、ベンゼン環を有する化合物としては、アニリン及びアニリン誘導体が好まく、芳香族複素環を有する化合物としては、ピロール、チオフェン及びこれらの誘導体が好ましい。これら芳香環を有する化合物は、一種単独で用いてもよいし、二種以上の混合物として用いてもよい。
【００１９】
本発明の炭素繊維の製造方法では、上記芳香環を有する化合物の電解酸化重合を導電性基板上で行い、該導電性基板上にフィブリル状ポリマーを生成させることが好ましい。ここで、導電性基板としては、多孔質なものが好ましく、多孔質な導電性基板としては、カーボンペーパー、多孔質カーボン布等が挙げられる。なお、電流又は電圧を矩形波でパルス状に印加し、印加時間と休止時間の割合を変更することで、導電性基板上に析出したフィブリル状ポリマーの厚さ方向の構造を変化させることが可能となり、該フィブリル状ポリマーを焼成することで、厚さ方向の構造の異なる炭素繊維材料を作製することが可能となる。
【００２０】
上記電解酸化重合工程Ａにおいては、電解溶液中に原料の芳香環を有する化合物と共に、酸を混在させることが好ましい。この場合、酸の負イオンがドーパントとして合成されるフィブリル状ポリマー中に取り込まれ、導電性に優れたフィブリル状ポリマーが得られ、このフィブリル状ポリマーを用いることにより焼成工程Ｂで得られる炭素繊維の導電性を更に向上させることができる。また、各電解酸化重合工程Ａで、芳香環を有する化合物に混在させる酸の種類及び濃度を変更することで、生成するフィブリル状ポリマーの導電性を変化させることができる。
【００２１】
この点について更に詳述すると、例えば、原料の芳香環を有する化合物としてアニリンを用いた場合、アニリンをＨＢＦ4を混在させた状態で電解酸化重合して得られるポリアニリンは、通常、下記式（Ａ）〜（Ｄ）：
【化１】
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に示した４種のポリアニリンが混在した状態、即ち、ベンゾノイド＝アミン状態（式Ａ）、ベンゾノイド＝アンモニウム状態（式Ｂ）、ドープ＝セミキノンラジカル状態（式Ｃ）及びキノイド＝ジイミン状態（式Ｄ）の混合状態になる。ここで、上記各状態の混合比率は特に制限されるものではないが、ドープ＝セミキノンラジカル状態（式Ｃ）を多く含んでいる方がキノイド＝ジイミン状態（式Ｄ）が大部分であるよりも最終的に得られる炭素繊維の残炭率及び導電率が高くなる。従って、ドープ＝セミキノンラジカル状態（式Ｃ）を多く含むポリアニリンを得るためには、重合時に酸を混在させることが好ましい。なお、重合の際に混在させる酸としては、上記ＨＢＦ4に限定されるものではなく、種々のものを使用することができ、ＨＢＦ4の他、Ｈ2ＳＯ4、ＨＣｌ、ＨＣｌＯ4等を例示することができる。ここで、該酸の濃度は、0.1〜3mol/Lの範囲が好ましく、0.5〜2.5mol/Lの範囲が更に好ましい。
【００２２】
上記ドープ＝セミキノンラジカル状態（式Ｃ）の含有割合（ドーピングレベル）は適宜調節することができ、この含有割合（ドーピングレベル）を調節することにより、得られる炭素繊維の残炭率及び導電率を制御することができ、ドーピングレベルを高くすることにより得られる炭素繊維の残炭率及び導電率が共に高くなる。なお、特に限定されるものではないが、このドープ＝セミキノンラジカル状態（式Ｃ）の含有割合（ドーピングレベル）は、通常0.01〜50％の範囲とすることが好ましい。
【００２３】
上記電解酸化重合工程Ａでは、例えば、芳香環を有する化合物を含む溶液中に、上記導電性基板からなる作用極及び対極を浸漬し、両極間に上記芳香環を有する化合物の酸化電位以上の電圧を矩形波でパルス状に印加するか、又は、上記芳香環を有する化合物が重合するのに充分な電圧が確保できるような条件の電流を矩形波でパルス状に通電すればよく、これにより導電性基板（作用極）上にフィブリル状ポリマーが生成する。ここで、対極としては、ステンレススチール、白金、カーボン等の良導電性物質からなる板や多孔質支持体等を用いることができる。上記電解酸化重合工程Ａによるフィブリル状ポリマーの合成方法の一例を挙げると、Ｈ2ＳＯ4、ＨＢＦ4等の酸及び芳香環を有する化合物を含む電解溶液中に導電性基板からなる作用極及び対極を浸漬し、両極間に0.1〜1000mA/cm2、好ましくは0.2〜100mA/cm2の電流を矩形波でパルス状に通電して、導電性基板からなる作用極側にフィブリル状ポリマーを重合析出させる方法等が例示される。ここで、芳香環を有する化合物の電解溶液中の濃度は、0.05〜3mol/Lの範囲が好ましく、0.25〜1.5mol/Lの範囲が更に好ましい。また、電解溶液には、上記成分に加え、ｐＨを調製するために可溶性塩等を適宜添加してもよい。
【００２４】
上述のように、本発明の製造方法では、炭素繊維のドーピングレベルを調節することにより、得られる炭素繊維の導電率及び残炭率を制御することができるが、ドーピングレベルの調節は、上記電解酸化重合工程Ａで生成するフィブリル状ポリマーを何らかの方法で還元すればよく、その手法に特に制限はない。具体例としては、アンモニア水溶液又はヒドラジン水溶液等に浸漬する方法、電気化学的に還元電流を付加する方法等が挙げられる。この還元レベルによりフィブリル状ポリマーに含まれるドーパント量の制御を行うことができ、この場合、還元処理によってフィブリル状ポリマー中のドーパント量は減少する。なお、上述のように、電解酸化重合工程Ａにおいて電解溶液中の酸濃度を制御することによりドーピングレベルをある程度調節することもできるが、ドーピングレベルが大きく異なる種々のサンプルを得ることは難しいため、上記還元法が好適に採用される。このように含有割合を調節したドーパントは、後述する焼成工程Ｂの後も、その焼成条件を制御することによって生成する炭素繊維中に保持され、これにより炭素繊維の導電率及び残炭率が制御される。
【００２５】
次に、上記電解酸化重合工程Ａで生成したフィブリル状ポリマーを、水や有機溶剤等の溶媒で洗浄し、乾燥させた後、工程Ｂで焼成し炭化することで、３次元連続状の炭素繊維が得られる。ここで、乾燥方法としては、特に制限されるものではないが、風乾、真空乾燥の他、流動床乾燥装置、気流乾燥機、スプレードライヤー等を使用した方法を例示することができる。また、焼成条件としては、特に限定されるものではなく、最適導電率となるように適宜設定すればよいが、特に高導電率を必要とする場合は、温度500〜3000℃、好ましくは600〜2800℃で、0.5〜6時間焼成することが好ましい。なお、本発明の製造方法では、焼成工程Ｂを非酸化性雰囲気中で行うことが好ましく、該非酸化性雰囲気としては、窒素雰囲気、アルゴン雰囲気、ヘリウム雰囲気等を挙げることができ、場合によっては水素雰囲気とすることもできる。
【００２６】
本発明の製造方法で得られる炭素繊維は、直径が30nm〜数百nmの範囲であることが好ましく、40nm〜500nmの範囲であることが更に好ましく、長さが0.5μm〜100mmの範囲であることが好ましく、1μm〜10mmの範囲であることが更に好ましく、表面抵抗が106〜10-2Ωの範囲であることが好ましく、104〜10-2Ωの範囲であることが更に好ましい。また、該炭素繊維は、残炭率が95〜30％であることが好ましく、90〜40％であることが更に好ましい。該炭素繊維は、カーボン全体が３次元に連続した構造を有するため、粒状カーボンよりも導電性が高い。
【００２７】
上記のようにして得られた３次元連続状炭素繊維は、残炭率が高く、導電性に優れ、また、各部分で繊維径が異なり、種々のネットワーク構造を有することができる。また、該炭素繊維は、種々の用途を有し、例えば、電極材料、各種触媒の担体として使用でき、更に、ポリマー等と複合化して補強性及び機能性を与えるフィラーとして用いることもできる。
【実施例】
【００２８】
以下に、実施例を挙げて本発明を更に詳しく説明するが、本発明は下記の実施例に何ら限定されるものではない。
【００２９】
（実施例１）
アニリンモノマー 0.5mol/LとＨ2ＳＯ4 1.0mol/Lとを含む酸性水溶液中に、カーボンペーパー［東レ製］からなる作用極を設置し、対極として白金板を使用し、室温にて25mA/cm2の定電流を1秒間流し0.5秒間0mA/cm2とするパルス電流（図１参照）を印加し、電気量が合計3Ｃ/cm2になるまで電解重合を行い、ポリアニリンを作用極上に電析させた。得られたポリアニリンをイオン交換水で洗浄し、24時間真空乾燥した後、カーボンペーパーごとＡｒ雰囲気中3℃/分の昇温速度で950℃まで加熱し、その後950℃で1時間保持して焼成処理した。得られた焼成物をＳＥＭで観察したところ、直径が50〜300nmのフィブリル状で３次元連続状の炭素繊維がカーボンペーパー上に生成していることを確認した。この三次元炭素構造体についてガス透過性を評価したところ、空気を20L/minの流速で流したときの差圧が555mbarであった。
【００３０】
（比較例１）
アニリンモノマー 0.5mol/LとＨ2ＳＯ4 1.0mol/Lとを含む酸性水溶液中に、カーボンペーパー［東レ製］からなる作用極を設置し、対極として白金板を使用し、室温にて25mA/cm2の定電流を印加し、電気量が合計3Ｃ/cm2になるまで電解重合を行い、ポリアニリンを作用極上に電析させた。得られたポリアニリンをイオン交換水で洗浄し、24時間真空乾燥した後、カーボンペーパーごとＡｒ雰囲気中3℃/分の昇温速度で950℃まで加熱し、その後950℃で1時間保持して焼成処理した。得られた焼成物をＳＥＭで観察したところ、直径が50〜300nmのフィブリル状で３次元連続状の炭素繊維がカーボンペーパー上に生成していることを確認した。この三次元炭素構造体のガス透過性を評価したところ、空気の流速が20L/minのとき、差圧が175mbarであった。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】実施例１で印加したパルス電流（矩形波）を示す図である。
【図１】
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